传感器与智能时代 (14).pdf
《传感器与智能时代 (14).pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《传感器与智能时代 (14).pdf(11页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶DOI:1013290/jcnkibdtjs201808001August2018Semiconductor Technology Vol43 No8561基金项目:国家自然科学基金重点项目(61734002);四川省应用基础研究重大前沿项目(2017JY0002)通信作者:钟智勇,E-mail:zzyuestceducnGaAs 基霍尔传感器的研究进展摘要:霍尔传感器作为磁传感器的重要成员,广泛应用于汽车电子和无线通信等电子系统。与以第一代半导体材料硅、锗等为基底的霍尔传感器相比,GaAs 基霍尔传感器具有更高的磁场分辨率
2、、灵敏度和稍好的温度特性。概述了 GaAs 材料在霍尔传感器领域的优势及霍尔单元形状的研究进展;综述了采用外延工艺制备的单外延结构的 GaAs 基霍尔传感器和异质结构的 GaAs基霍尔传感器的研究进展;详细介绍了电压偏移消除技术的研究进展,包括结构的优化、正交对消补偿和旋转电流技术;最后对 GaAs 基霍尔传感器的发展趋势进行了展望。关键词:霍尔传感器;砷化镓(GaAs);异质结;磁场传感器;电压偏移消除技术中图分类号:TN304.23;TP212.41文献标识码:A文章编号:1003353X(2018)08056111esearch Progress of GaAs-Based Hall S
3、ensorDong Jianfang1,Peng Ting2,Gao Nengwu2,Jin Lichuan1,Zhong Zhiyong1(1 State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,University of ElectronicScience and Technology of China,Chengdu 610054,China;2 Chengdu HiWafer SemiconductorCo.,Ltd.,Chengdu 610299,China)Abstract:As an impor
4、tant role of the magnetic sensor,Hall sensor is widely used in automotiveelectronics,wireless telecommunications and other electronic systems Compared with the Hall sensorbased on the first-generation semiconductor Si,Ge,etc,the GaAs-based Hall sensor has highermagnetic field resolution,higher sensi
5、tivity and better temperature characteristics The advantages ofGaAs materials in the field of Hall sensor and the research progress of the Hall element shape are summa-rized The research progress of GaAs-Based Hall sensor with a single epitaxial structure and the GaAs-based Hall sensor with a hetero
6、structure prepared by epitaxial process are reviewed The research progressof the voltage offset cancellation techniques is introduced in detail,including the structure optimization,orthogonal cancellation compensation and spinning current technique Finally,the development trend ofGaAs-based Hall sen
7、sor is prospectedKey words:Hall sensor;GaAs;heterojunction;magnetic sensor;voltage offset cancellation tech-niqueEEACC:2520D;25600引言磁传感器作为现代传感器产业的一个重要分支,每年有数以百万计的磁传感器用于各种应用1,在消费电子、工业自动化、汽车电子、医疗卫生系统23 等领域发挥着重要作用,无论是为董健方等:GaAs 基霍尔传感器的研究进展櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶562半导体技术第 43 卷第 8
8、 期2018 年 8 月国家经济建设还是国防建设都起着重要的作用。磁传感器的发展趋势是研制小尺寸、低成本、高灵敏度、高可靠性、低功耗、高信噪比和高温度稳定性的传感器。为了顺应这种发展趋势,近些年霍尔传感器发展迅速,大量应用于汽车电子和通信电子领域4,随着中国的汽车制造业和通信领域的快速发展,霍尔传感器芯片的年销售额将保持高速增长。目前大多数商用霍尔传感器都是以硅为基底的,其主要优点是成本低、体积小、与现代半导体工艺兼容性好等。随着化合物半导体的发展,高灵敏度(电流相关灵敏度大于 1 000 V/AT,电压相关灵敏度大于 0.1 V/VT)的霍尔传感器可以由III-V族化合物半导体制造,如砷化镓
9、(GaAs)、锑化铟(InSb)等,它们的载流子具有很高的迁移率,因此制备的霍尔传感器具有很高的灵敏度5,同时与硅基霍尔传感器相比,其具有稍好的温度稳定性;另一方面,随着第二代半导体的发展,一些采用异质结构的霍尔传感器具有更佳优异的性能6。本文先从霍尔传感器的材料和结构入手,概述了 GaAs 基霍尔传感器的优势和霍尔单元形状的研究进展,并介绍了采用外延工艺制备的 GaAs基霍尔传感器,包括单外延结构和异质结构的GaAs 基霍尔传感器,最后介绍了近些年霍尔传感器电压偏移消除技术的研究进展。1材料和结构1.1GaAs 基霍尔传感器的优势在外加磁场作用下,霍尔传感器的有源区厚度、偏置电流的大小和霍尔
10、系数将共同决定霍尔电压的大小,在偏置电流不变的前提下,提高霍尔电压可以提高霍尔传感器的灵敏度。经理论分析得出,霍尔传感器的最大霍尔电压受半导体最大耗散功率的限制7。假设霍尔平面允许的最大耗散功率为 Pmax,则霍尔平面可以产生的最大霍尔电压(VH,max)可表示为7 VH,max=B(PmaxrHwLt)12(nH)12(1)式中:B 为外加磁场;rH为霍尔散射因子;w 为有源区(霍尔平面)宽度;L 为有源区(霍尔平面)长度;t 为有源区(霍尔平面)厚度;n为电子迁移率;H为霍尔系数。因此在确定的最大耗散功率和确定的几何形状下,最大的霍尔电压取决于材料的电子迁移率和霍尔系数的乘积7。在霍尔传感
11、器的设计过程中,材料的选择需要折中考虑,为了达到尽可能高的霍尔电压,材料的电子迁移率和霍尔系数的乘积应该最大化。然而,在霍尔传感器磁场传感过程中为了实现高线性度和好的温度特性,材料又应该更多地呈现金属性8,需要通过重掺杂来增加载流子浓度,这将使霍尔系数降低,导致霍尔电压和灵敏度降低,而且由于载流子的散射,其迁移率会受到重掺杂的影响8。所以为了获得较高的霍尔电压,一个比较好的途径是提高材料的载流子迁移率。另一方面,具有高载流子迁移率的半导体材料能够产生大的霍尔角9,从而产生明显的霍尔效应,更适合霍尔效应的利用。表 1 列出了用于制造霍尔传感器的常用半导体的参数(典型值)1,表中:n 为电子浓度;
12、Eg为禁带宽度。表 1用于制造霍尔传感器的常用半导体1 Tab.1Widely used semiconductor for Hall sensor1 材料n/cm3n/(cm2V1s1)Eg/eVH/(cm3C1)Ge2410133 90006790 000Si2510151 3001122 500GaAs3010158 5001422 100InAs50101630 000036125InSb90101677 00001770Si 和 Ge 均为第一代半导体材料,Ge 的电子迁移率相对较低,由于它在室温下的电子浓度较低,高纯的材料具有大的霍尔系数,但材料的高纯是先决条件,且禁带宽度较窄,一
13、般不用作霍尔传感器的有 源 层,但 可 以 用 作 衬 底 材 料,2000 年,M.Behet 等人10 曾在 Ge 衬底上用分子束外延(MBE)生长 InAs/AlGaSb 异质结构作为霍尔传感器的有源层,制备出灵敏度很高的霍尔传感器。Si霍尔器件的优势在于工艺成熟,可以与信号处理电路很好地集成,形成霍尔 IC,被广泛应用于三维霍尔传感器,M.Blagojevic 等人11 提出的 Si 基三维霍尔传感系统,可以实现较为精确的三维磁场传感。但 Si 材料中的载流子迁移率相对较低,一般不能制备灵敏度很高的霍尔传感器,目前的 Si 基霍尔传感器电流相关灵敏度一般小于 1 000 V/AT。高灵
14、敏度的霍尔传感器可以用 InAs,InSb 或 GaAs来制备,InAs 是高灵敏度霍尔传感器的常用材料董健方等:GaAs 基霍尔传感器的研究进展櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶August2018Semiconductor Technology Vol43 No8563(例如 AKM 公司的 HQ 系列线性霍尔传感器12),而 InSb 是超高灵敏度霍尔传感器的常用材料(例如AKM 公司的 HW 系列线性霍尔传感器12),但它们的禁带宽度较小,所以温度特性较差。本征 GaAs 材料的禁带宽度比 Si 稍大,具有良好的温度特性(温度
15、系数的典型值为4104/K)7,但其电子迁移率比 Si 大很多,表 1 中,GaAs 的电子迁移率约为8 500 cm2V1s1,介于 Si(1 300 cm2V1s1)和 InAs(30 000 cm2V1s1)之间。因此,为了保证好的温度特性,而又实现相对高的灵敏度,GaAs 是 制 备 霍 尔 传 感 器 较 为 合 适 的 材 料。B.I.Avdochenko 等人13 在半绝缘 GaAs 上通过闪蒸外延生长 n 型 GaAs 作为有源层,再结合磁通聚集器,可以实现高灵敏度的磁场传感,能够检测低至百 nT 量级的微弱磁场;J.Jankowski 等人14 在晶向为100的 GaAs 衬
16、底上通过外延工艺生长厚度约为 1 m 的 n 型重掺杂(约 2101831018cm3)InSb 薄膜作为霍尔传感器的有源层,在 350 下退火 15 h,再在 300 下退火 24 h,并针对极端温度优化了传感器的外围封装,制备的霍尔传感器在极端温度下具有较好的稳定性,在270300 的温度()范围内输出的霍尔电压(VH)如图 1 所示,图中:Ibias为偏置电流,B2 和 B3 为在完全相同的退火条件下制备的 8 个霍尔单元中具有代表性的两个,但受重掺杂的影响,其电流相关灵敏度较低。100806040200-300-200-1000100200300兹/VH/mV-273.16(0 K)B
17、2霍尔传感器B3霍尔传感器B=400 mTIbias=40 mA图 1霍尔传感器在不同温度下的霍尔电压14 Fig.1Hall voltages of Hall sensors at different temperatures14 除此之外,GaAs 基霍尔传感器还具有较好的抗辐射性能,A.V.Gradoboev 等人15 采用气相外延、MBE 和离子注入工艺制备了多组不同掺杂的多层结构,作为霍尔传感器的有源层,在辐射能量为 1.41027105Gy 的伽马射线照射下测量霍尔传感器的伏安特性,发现该 GaAs 基霍尔传感器在辐射能量为 4.2105Gy 的伽马射线照射下,伏安特性基本不变,表
18、明 GaAs 基霍尔传感器具有较好的抗辐射性。1.2霍尔单元形状霍尔传感器根据霍尔平面与衬底的相对位置可以分为垂直霍尔传感器和水平霍尔传感器,其中水平霍尔传感器的霍尔平面与衬底平行且所能检测的外磁场垂直于衬底,而垂直霍尔传感器的霍尔平面与衬底垂直且所能检测的外磁场平行于衬底。由于异质结霍尔传感器在性能上有很大优势,所以 GaAs 基的霍尔传感器一般为水平结构。GaAs基水平霍尔传感器的尺寸通常约为 10 m10 m,以铋(Bi)为基板的霍尔传感器大小可以达到0.1 m0.1 m9。目前水平霍尔传感器有源区形状大多为圆形、矩形、八边形和十字形,如图 2所示,图中 h 和 wc分别为十字形分支的长
19、和宽,其中粗线部分 C 表示接触电极的位置。矩形有源区接触电极可以放置在有源区边缘中央,如图 2(a)的矩形所示,也可以放置在矩形的对角处,如图 2(b)的矩形。同理,十字形有源区的接触电极可以放置在十字形分支的末端,如图 2(d)的十字形所示,也可以放置在十字形结构除末端以外的边缘处,如图 2(e)的十字形所示。在设计中为了减小输出信号的电压偏移,霍尔传感器通常设计成中心对称结构,在这样的结构中,接触电极既可以作为偏置输入电极也可以作为信号输出电极。CCCChwcCCCChwcCCCCCCCCCCCC(e)十字形(d)十字形(c)八边形(b)矩形(a)矩形图 2水平霍尔传感器有源区常用形状示
20、意图Fig.2Widely used shapes diagrams of horizontal Hallsensor active region董健方等:GaAs 基霍尔传感器的研究进展櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶564半导体技术第 43 卷第 8 期2018 年 8 月通常情况下,霍尔电压可以表示为VH=HIbiasBt(2)而这样的关系式成立的前提条件为霍尔平面无限长(Lw)。实际的器件为有限尺寸,有限尺寸霍尔传感器的霍尔电压需要进行“几何校正”,表示为16 VH=VHGH(Lw,H)(3)式中:VH为理想无限长霍尔平面的
21、霍尔电压;GH为几何校正因子,是形状和霍尔角 H的函数,0GH1。W.Versnel1718 在 20 世纪 80 年代初期对有限尺寸水平霍尔传感器的几何校正进行了大量研究,提出了圆形霍尔平面几何校正因子的计算方法,之后 W.Versnel19 又通过保角变换将其他形状的霍尔平面映射到圆域,分别求出了图 2 中矩形、八边 形 和 十 字 形 霍 尔 平 面 的 几 何 校 正 因 子。W.Versnel 计算得到的几何校正因子可以表示为19 GH(,H)1g()Htan H(4)式中:为在计算几何校正因子的一个中间量,仅表示接触电极的长度与整个霍尔平面周长的比值,=c/b,其中 c 为所有接触
22、电极的总长度,b 为霍尔平面有源区的周长;圆形和图 2 中(a),(b),(c),(d)和(e)对应形状的 g()总结在表 2 中,g()为计算几何校正因子的一个中间式,不同形状的霍尔平面通过保角变换得到不同的 g()。表 2几何校正因子和适用条件1718 Tab.2Geometric correction factors and operationconditions1718 形状g()误差在 05%以下的条件圆形06360矩形10620矩形069620八边形194(1+0414 2)20十字形1045ehwchwc十字形7761(hwc)2(1+2hwc)2hwc0从表 2 可以看出,要保
23、证几何校正因子计算的准确性需要霍尔平面的接触电极无限小,这种条件在实际应用中很难达到,之后.S.Popovic20 修正了部分条件,最终,表 2 对应的各种形状的几何校正因子和部分修正后的条件见表 3。表 3修正后的几何校正因子和条件20 Tab.3Modified geometric correction factors and conditions20 形状g()误差在 05%以下的条件圆形0636031矩形106203矩形06962059八边形194(1+0414 2)2073十字形1045ehwcwc2h038十字形7761(hwc)2(1+2hwc)2几何校正因子在霍尔传感器的设计中
24、具有重要的指导意义,研究表明在相近的几何尺寸下,十字形霍尔平面(如图 2(d)的几何校正因子比其他几何形状更趋近于 12,且以十字形霍尔平面为有源区的霍尔传感器线性度较好2,这对于磁场测量是十分有利的,使十字形霍尔平面成为当前霍尔传感器设计最为流行的一种形式。C.Wouters 等人21 采用十字形水平霍尔结构,其几何校正因子接近于 1,在半绝缘 GaAs 基板上外延 Si 掺杂的GaAs 作为有源层,将 6 块这样的霍尔单元进行正交拼装,制备了一种新型的三维霍尔传感器,实现了较高精确度的三维磁场传感。水平霍尔传感器的物理模型是霍尔传感器领域的一大研究热点,有一批研究者致力于构建一个准确的物理
25、模型来预测霍尔传感器的性能,达到指导设计的目的。大多物理模型是在类似于惠斯通电桥的模型上加以改进,M.Madec 等人2223 提出了一种新的物理模型,在传统惠斯通电桥模型的基础上增加了 4 个电压源和 2 个电阻,且考虑了由于空间电荷引起的非线性内阻、电压偏移和温度的影响等,用 Verilog-A 进 行 物 理 模 型 仿 真,并 采 用0.35 m的 CMOS 工艺制备了器件进行对比,发现物理模型仿真结果和实验结果之间误差小于 1%,该物理模型的优势在于简单,且可以精确地预测输出的霍尔电压。H.Chae24 提出了一种类似的物理模型,但只包含两个电压源,且优化了电阻模型,采用 0.18
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 传感器与智能时代 14 传感器 智能 时代 14
限制150内